基于PLC的智能温室控制系统设计

毕业设计论文任务书题目基于PLC的智能温室控制系统设计 学生#班级学号题目类型 工程 指导教师系主任一、毕业设计论文的技术背景和设计依据温室产业与相关技术在国内外的发展速度很快.高水平大型温室的环境控制系统能够根据传感器采集室温、叶湿、地湿、室内温度、土壤含水量、溶液浓度、二氧化碳浓度、风速、风向、以与植物作物生长状态等有关参数,结合作物生长所需最佳条件,有效调节有关设备装置,将室内温、湿、光、水、肥、气等诸因素综合协调调节到最佳状态.1根据外界环境对植物影响因素,选择作物环境条件的实时检测系统、智能温室控制系统两个部分.自动检测包括：温室、湿度、光照、二氧化碳、土壤水分等传感器与变送器.智能控制系统包括：双向天窗角度开闭驱动,遮阳网驱动,通风机,喷灌滴灌控制,节能加温、降温控制等.2开发智能温室组态监控界面.二、毕业设计论文的任务1.熟悉题目要求,查阅相关科技文献2.方案设计包括方案论证与确定、技术经济分析等内容3.硬件和软件设计其中还包括理论分析、设计计算、实验与数据处理、设备与元器件选择等4.撰写设计说明书毕业论文,绘制图纸5.指定内容的外文资料翻译6.其它三、毕业设计论文的主要内容、功能与技术指标1、毕业设计论文的主要内容1智能温室控制系统硬件设计2智能温室控制系统程序设计2、功能与技术指标1介绍所使用PIC与控制系统所涉与其它设备的基本情况2系统软件设计主要包括PIC控制程序和上位机组态软件3、其它需要说明的问题四、毕业设计论文提交的成果1、开题报告不少于3000字2、设计说明书约3万字左右,或毕业论文约2万字左右3、图纸2#图纸至少三张,图纸数量根据论文情况自定4、中、英文摘要中文摘要约200字,35个关键词5、论文简介6、外文资料翻译约5000汉字五、毕业设计论文的主要参考文献和技术资料1、参考文献和技术资料1 郁汉琪.可编程控制器原理与应用.中国电力,20042 努尔哈孜朱玛力.可编程控制器在电炉温度控制系统中应用的研究.#大学学报,2006,13：2672683 黄柱深,黄超麟.基于PLC的高精度温度控制系统.机电工程技术,2006,10：1231254 高钦和.可编程控制器应用技术与设计实例.人民邮电,20045 赵燕.可编程控制器原理与应用.中国林业,20066 李方园.人机界面设计与应用.化学工业,20087 严盈富.触摸屏与PLC入门.人民邮电,20068 张扬.S7200PLC原理与应用系统设计.机械工业,20079 付家才.PLC实验与实践.高等教育,200610 刘继修.PLC应用系统设计.#科技,200711 徐亚飞,刘官敏,高国章.温箱温度PID与预测控制.武汉理工大学学报交通科学与工程版,2004,28：55455712 曾贵娥,邱丽,朱学锋.PID控制器参数整定方法的仿真与实验研究.石油化工自动化,2005,7：899113 肖宝兴.西门子S7200PLC的使用经验和技巧.机械工业,2011六、毕业设计论文加选专题部分毕业设计论文选做内容说明七、毕业设计论文各阶段安排设计论文内容起止周完成情况熟悉设计题目要求,查阅相关文献资料.12初步完成硬件系统设计.34优化系统硬件,确定硬件系统.56初步完成软件系统设计.79优化系统软件,确定软件系统.1011整理材料,撰写论文,准备毕业答辩.12 指导教师签字：摘要温室大棚对现在的人们来说,是非常熟悉的一个名词,因为现在我们生活中的很多花卉、蔬菜、水果都是从温室大棚中种植出来的.如何利用自动检测与自动控制系统有效的控制好温室大棚内的各种环境因子,以提高温室大棚环境的控制精度和效果,对我国温室业的发展有着不可估量的重要意义. 本设计采用西门子S7-300系列可编程控制器来实现自动化控制的温室大棚.温度、湿度等环境因子在植物过程中起重要作用,在检测这环境因子的时候考虑到精度,反应速度,方便设备连接等问题,将采用温度传感器,湿度传感器对环境各项指标进行检测,传感器将检测的结果送入PLC中,由PLC将其与设定值进行比较,再发出相应的指令驱动电机卷帘等设备运行或停止来调节室内的温度、湿度,从而达到智能化,自动化控制的目的.关键词：蔬菜大棚；PLC；温湿度控制；53 / 60AbstractGreenhouse for the people now is a very familiar noun, because now we live in a lot of flowers, vegetables, fruit which from greenhouse shelter of planting out. How to use automatic detection and automatic control system of effective control of greenhouse trellis inside, in order to improve the environmental factor trellis environment control precision of the greenhouse effect and has bee the greenhouse industry research in China at present. This design USES the Siemens s7-300 PLC to realize the automation control greenhouse trellis. Temperature, humidity environment factors in the process of plants plays an important role in detecting the environmental factor, when considering the accuracy, the reaction speed, convenient device connected by such issues, will the temperature sensor,humidity sensors detect the indicators of environment, the sensor will test results by PLC sent PLC pare it with setting, then sends out the corresponding order-driven heating element, the fan, ventilation window, filling light equipment, sunshade shade equipment operation or stop to adjust indoor temperature, light, humidity, so as to achieve the purpose of intelligent, automation control. Discuss PLC control system application in plants greenhouse canopy, Keywords: Vegetables greenhouse；PLC system；Temperature and humidity control目录1 绪论11.1概述11.2研究背景1国外状况1国内状况21.3研究意义31.4我国温室存在的主要问题31.5温室环境控制技术的发展趋势42 研究方案的设计62.1温室大棚内重要参数的调节与控制6温度的调节与控制6湿度的调节与控制6温度、湿度之间的耦合6光照的调节与控制7二氧化碳含量的调节与控制72.2温室环境的特点72.3温室的控制对象82.3.1温度82.3.2湿度82.3.3光照强度82.3.4二氧化碳92.3.5土壤含水量93 PLC概述103.1 PLC简介103.1.1 PLC的产生和定义103.1.2 PLC的发展现状113.1.3 PLC的发展趋势123.1.4 PLC的分类133.1.5 PLC的特点143.1.6 PLC的应用153.2 PLC的组成和工作原理163.2.1 PLC的组成163.2.2 PLC的工作原理203.3 PLC控制系统设计的基本原则、主要内容与步骤243.3.1 PLC控制系统设计的基本原则243.3.2 PLC控制系统设计的主要内容253.3.3 PLC控制系统设计的步骤254 控制系统的总体设计方案284.1系统的设计任务284.2系统的控制方案284.3系统的工作原理295 控制系统的硬件设计305.1电气控制系统设计305.1.1系统主电路设计305.1.2系统控制电路设计305.2 PLC硬件电路的设计345.2.1 PLC型号选择345.2.2 PLC I/O地址分配435.2.3硬件接线图设计455.3 PLC的硬件配置455.3.1传感器455.3.2 S7-300各个模块476 控制系统的软件设计526.1 PLC程序设计的方法536.2编程软件STEP7概述536.3控制系统的程序设计536.3.1程序的设计思路546.3.2控制程序流程图546.3.3控制程序设计与分析586.4 STEP7软件介绍677 结论70参考文献71致谢721 绪论1.1概述传统温室是指具有防寒、加温和透光等设施,供冬季或极寒地区培育喜温植物或作物的房间.而智能温室也称作自动化温室,是指配备了由计算机控制的可移动天窗、遮阳系统、保温系统、升温系统、湿帘窗/风扇降温系统、喷滴灌系统或滴灌系统、移动苗床等自动化设施,基于农业温室环境的高科技智能温室.智能温室的控制一般由信号采集系统、中心计算机、控制系统三大部分组成.本文主要讨论关于智能温室控制系统这一部分.智能温室控制系统是近年来逐步发展起来的一种资源节约型高效的农业设施,其是以传统的日照温室为基础,配以计算机自控技术,智能传感技术等高尖端技术发展起来的新型农业基础设施.自上世纪90年代,我国农业工程技术研究人员在吸收了发达国家的高科技温室技术上,加以针对我国农业环境,传统日照式温室的温度、湿度、日照时长与二氧化碳浓度研发出了适应我国农业环境的智能温室控制系统.1.2研究背景国外状况世界发达国家如荷兰、美国、以色列等大力发展集约化的温室产业,温室内温度、光照、水、气、肥实现了计算机调控,从品种选择、栽培管理到采收包装形成了一整套完整的规范化技术体系.美国是最早发明计算机的国家,也是将计算机应用于温室控制和管理最早、最多的国家之一.美国有发达的设施栽培技术,综合环境控制技术水平非常高.环境控制计算机主要用来对温室环境进行监测和控制.以花卉温室为例,温室内监控项目包括：室内气温、水温、土壤温度、锅炉温度、管道温度、相对空气湿度、保温幕状况、通窗状况、泵的工作状况、二氧化碳浓度、EC调节池和回流管数值、pH调节池和回流管数值；室外监控项目包括：大气温度、太阳辐射强度、风向风速、相对湿度等.温室专家系统的应用给种植者带来了一定的经济效益,提高了决策水平,减轻了技术管理工作量,同时也为种植带来了很大方便.以园艺业著称的荷兰从20世纪80年代以来就开始全面开发温室计算机自动控制系统,并不断地开发模拟控制软件.目前,荷兰自动化智能玻璃温室制造水平处于世界先进水平,拥有玻璃温室1.2万多平方米,占世界1/4以上,有85的温室用户使用计算机控制温室环境.荷兰开发的温室计算机控制系统是通过人机交互界面进行参数设置和必要的信息显示,可绘制出设定参数曲线、修正值曲线以与测量的数据曲线,可以从数据库内调出设定的时间段内参数以便于必要的数据查询,并能直接对计算机串行口进行操作,完成上位机与下位机之间的通信.上位机软件集参数设置、信息显示、控制等功能于一体,同时还能够很好地完成温室灌溉和气候的控制和管理.此外,国外温室业正致力于向高科技方向发展.遥测技术、网络技术、控制局域网已逐渐应用于温室的管理与控制中.控制要求能在远离温室的计算机控制室就能完成,即远程控制.另外该网络还连接有几个通讯平台,用户可以在遥远的地方通过形象、直观的图形化界面与这种分布式的控制系统对话,就像在现场操作一样,给人以身临其境之感.国内状况我国农业计算机的应用开始于20世纪70年代,80年代开始应用于温室控制与管理领域.20世纪90年代初期,中国农业科学院农业气象研究所和作物花卉研究所,研制开发了温室控制与管理系统,并开发了基于Windows操作系统的控制软 件；90年代中后期,#理工大学毛罕平等人研制开发了温室软硬件控制系统,能对营养液系统、温度、光照、二氧化碳、施肥等进行综合控制,是目前国产化温室计算机控制系统较为典型的研究成果.在此期间,中国科学院石家庄现代化研究所、中国农业大学、中国科学院#植物生理研究所等单位也都侧重不同领域,研究温室设施的计算机控制与管理技术.九五期间,国家科技攻关项目和国家自然科学基金均首次增设了工厂化农业研究项目,并且在项目中加大了计算机应用研究的力度,其中九五国家重大科技产业工程工厂化高效农业示范工程中,直接设置了智能型连栋塑料温室结构与调控设施的优化设计与实施的专题.20世纪90年代末,#职业技术师范学院的闫忠文研制了作物大棚温湿度测量系统,能对大棚内的温湿度进行实时测量与控制.中科院合肥智能机械研究所研制了农业专家系统开发环境DET系列软件和智能温室自动控制系统,能够有效地提高作物产量、缩短生长期、减少人工操作的盲目性.农业大学研制成功WJG-1温室环境监控计算机管理系统,采用了分布式控制系统.河南省农科院自动化控制中心研制了GCSI型智能化温室自动控制系统,采用上位机加PLC的集散式控制方法,软件采用智能化模糊算法.中国农业大学设计研制的#省济宁大型育苗温室计算机分布式控制系统,实现了计算机分布式控制.1.3研究意义温室大棚近年来在农业生产上占的比重越来越大,而相对来说,温室大棚的控制系统也随着科技的进步不断的发展进步、提升.目前常见的是自动化控制系统,正在向智能控制系统方向发展.温室大棚智能控制系统是其管理的智能化系统,因为21世纪互联网和传感器的快速发展和普与而逐渐应用到蔬菜大棚上.主要监测参数和指标是：棚内的温度、含湿量、光照强度、二氧化碳含量、土壤的温度和含湿量等.一方面我们需要先向计算机内输入植物生长过程中的最适合生长的环境参数,另一方面在温室大棚各处合理地安排检测设备和传感设备,通过实时监测相应参数指标,并实时传递给计算机系统,系统通过比对,检测到不适宜条件,发出指令指挥棚内的自动系统进行施肥、升温、加水等正确操作,保持棚内环境,保证系统正常运行,使植物在最适宜情况下生长.智能控制系统将信息技术与计算机结合起来,在农业上加以应用,实现了农业发展的变革,也是未来农业发展的具体方向.智能控制系统在应用上有很大的方便和优势.首先是,智能控制系统控制的精准性和与时性.它的基本功能是对环境的检测,加上一些传感器和智能机器的应用,加强了人们对于作物生长环境的深层了解,实现了科学精准的控制,而且可以根据传感器数据给出相应的反馈和操作,反应与时,给植物营造出最适应的生长环境,温室大棚能够种植出高质量、高产量的绿色蔬菜.其次是,可实现远程控制.目前比较常用的是#大学研发的托普物联网技术,这种系统可以再距离较远时通过电脑控制棚内的操作,一方面减少了操作人员的工作量,提高了工作效率,另一方面,可以使得操作人员无论在任何地方都能监察整个大棚的状况,实现了科技的有利性.从发展前景上里说,温室大棚采用智能控制系统是未来农业发展的趋势和方向,它会将人们从繁杂的工作中解放出来,利用科技的手段得到最完美的效果,还会帮助降低成本,是农业走向高质量、高效率、高收益的道路.1.4我国温室存在的主要问题1科技含量和总体发展水平较低.我国设施栽培起步晚、基础差,没有将其作为整体工程问题研究.从设施装备到栽培技术的生产管理不配套,生产不规范,难以形成大规模商品生产.2我国现有的温室控制系统仍以控制一个温室为主,没有基于温室群的控制系统.这样降低了生产管理的效率.3温室测控系统的通信仍然采用有线方式.我国温室测控系统的通信主要有485总线以与CAN总线等有线方式.这些有线通信方式不仅使得温室内的信号线和动力线错综复杂,而且导致系统的可靠性降低,安装维护工作量变大,同时也不利于农业机器人等移动设备的作业,难以达到温室生产的工厂化农业水平.4缺少基于农业专家知识的上位机管理系统.我国目前的温室控制系统中,一些上位机只限于存储采集的历史数据,没有根据农业专家知识的实时控制管理系统.5设施水平低,抵御自然灾害的能力差.我国目前部分温室的建筑材料主要是钢材和玻璃.但没有形成国家统一的标准和工厂系列的产品,且应用率仅占设施栽培面积的10,而绝大部分由农民自行建造的塑料日光温室也只能起到一定的保温作用,根本不能实现对温度、湿度、光照等环境因子的调控.6机械化水平低,调控能力差,作业主要依靠人力.生产管理主要靠经验和单因子定性调控.1.5温室环境控制技术的发展趋势1.智能化：随着计算机技术、传感技术和自动控制技术的不断发展,温室计算机环境控制系统的应用将由简单的以数据采集处理和监测为主,逐步转向以知识处理和应用为主.因此软件系统的研制开发将不断深入完善,其中以专家系统为主的智能管理系统已取得了不少研究成果,而且应用前景非常广阔.因此近几年来神经网络、遗传算法、模糊推理等人工智能技术在温室栽培中得到了不同程度的发展和应用.2.网络化：目前,网络技术己成为当前世界最有活力、发展最快的高科技领域.网络通信技术的发展促进了信息传播.因此,设施农业产业化程度的提高成为可能.我国幅员辽阔,气候复杂,劳动者整体素质低,利用网络进行在线和离线服务,可以对不同区域进行监测、比较,不仅给管理带来很大的方便,而且可以提高劳动生产率.3.分布式：分布式系统通常可分为上、下两层.上层主要用作系统管理,其它各种功能如测量与控制任务等,主要由下层完成.下层由许多各自独立的功能单元组成,每个单元只完成一部分工作.面向对象的分布式系统,每一个功能单元针对一个对象、每一根进线、每一根出线、每个传感器、接触器等都可作为对象.4.综合环境调控：所谓综合环境调节,就是以实现作物的增产稳产为目标,把影响作物生长的多种环境参数,如光照、温度、湿度、二氧化碳浓度等,都保持在适宜作物生长的状态,并尽可能使用最少量的环境调节装置,既省时又节能,还能使劳动者愉快地从事生产劳动.5.变动的坏境控制系统：当前,主要使用精确的计算机坏境控制程序根据设定值对温室中的环境进行调控,但研究发现,这并不能使温室内的作物达到最佳产量.如作物的生长和发育并不取决于某一时刻某个特定温度,而主要取决于在一个时间段中的平均温度水平.这导致控制系统向自由设置系统的方向发展,如综合温度控制系统的研制,在该系统中并不设置一个固定的温度值,温室中的温度在最高和最低温度范围内可进行变动,以求在一个较长的时间段内达到理想的平均温度.这样计算机可以根据室外的气候,在使用最低能耗、最佳的利用温室中现有设备的情况下自由进行调节.可变动的环境控制系统目前主要侧重于温度、光照、相对湿度、二氧化碳浓度等方面的研究,在温室作物产量上已表现出比较满意的效果.6.蓝牙技术：蓝牙技术是近年发展起来的新型低成本、短距离的无线网络传输技术.运用这种技术把温室环境自动检测与控制系统中的各个电子检测装置和执行机构无线地连接起来,以达到便捷地对温室环境参数进行自动检测,灵活地对温室环境参数进行自动控制的目的.便携式环境参数采集器内部装有温度、湿度、光照等各种传感器,并嵌入了蓝牙芯片,因此,这种参数采集器具有无线通信功能,可以便捷地放置在温室内的不同位置.控制器同样嵌入了蓝牙芯片,它一方面与便携式环境参数采集器无线连接,另一方面通过RS-485通信总线与温室内的计算机控制装置相连接.2 研究方案的设计2.1温室大棚内重要参数的调节与控制温度的调节与控制与其他环境因子比较,温度是设施栽培中相对容易调节控制的环境因子.温室内温度的调节和控制包括保温、加温和降温3种.温度调控要求达到能维持适宜于作物生育的设定温度.温度的空间分布均匀,时间变化平缓.1保温,为了提高大棚的保温能力,常采用各种保温覆盖.具体方法就是增加保温覆盖的层数,采用隔热性能好的保温覆盖材料,以提高设施的气密性.2加温,我国传统的单屋面温室,大多采用炉灶煤火加温,近年来也有采用锅炉水暖加温或地热水暖加温的.大型连栋温室和花卉温室,则多采用集中供暖方式的水暖加温,也有部分采用热水或蒸汽转换成热风的采暖方式.3降温,保护设施内降温最简单的途径是通风,但在温度过高,依靠自然通风不能满足作物生育要求时,必须进行人工降温.降温包括遮光降温法、屋面流水降温法、蒸发冷却法与强制通风法.遮光降温法是一种在室外与温室屋顶部相距40cm处张挂遮光幕,对温室降温很有效.另一种在室内挂遮光幕,降温效果比挂在室外差；屋面流水降温法采用时须考虑安装成本,清除玻璃表面的水垢污染问题；蒸发冷却法使空气先经过水的蒸发冷却降温后再送入室内,达到降温目的.蒸发冷却法有湿帘风机降温法、细雾降温法、屋顶喷雾法.湿度的调节与控制土壤湿度要与空气相对湿度协调一致才能达到温室湿度的有效控制,湿度调控范围一般在60%RH-80%RH,精度为5%.湿度的调控影响温度,要求湿度与温度的调控需按一定的程序进行.常用的湿度调节方式是加湿和去湿.1加湿,一般常用的方法是水喷雾法和蒸汽加湿.水喷雾法采用双位或多位控制来实现；蒸汽加湿则采用电极加湿器或浇蒸加湿器实现.2去湿,在温室中去湿常用以下三种方式：加热控制法、吸附法-化学除湿器、排湿换气.在湿度的调节系统中,温室内的加湿和去湿则由温室内的调节部件完成,这些部件有天窗、侧窗、湿帘、风机等.温度、湿度之间的耦合温度与湿度之间有一定的耦合关系,对一个因子的控制常会带来另一个因子的变化.在冬季温室环境控制中,默认为温度控制优先的原则,在温度条件满足后,再来满足湿度条件.如温度过低、湿度过大的情况下,以加温为主导,只有当温度上升到一定值后,才能通风降湿,另一方面,温度提高本身可以使相对湿度降低.在夏季降温加湿的过程中,采用以湿度优先的原则.当湿度过小时,开启蒸发降温加湿装置.而当温度过高需要启动蒸发降温执行机构时,必须先检测室内的相对湿度,只有湿度低于某一设定范围时,才能启动蒸发装置.光照的调节与控制在温室内光照强度调节中通常选用改变温室大棚的硬件环境方法,人工调节大棚外部设施的方法来改变温室内的光照强度.调节方法一般有以下四种：1改善设施的透光率；2应用反光幕；3人工补光；4遮光.二氧化碳含量的调节与控制大气中二氧化碳平均浓度一般为0.03%,变幅较小.在冬春设施蔬菜生产中,为了保温,设施经常处于密闭状态,缺少内外气体交换,二氧化碳浓度变幅较大,中午设施内由于光合作用,二氧化碳浓度下降,接近甚至低于补偿点,二氧化碳处于亏缺状态应当与时的补充二氧化碳.补充二氧化碳的方法很多,常用的主要有三种：1燃烧法；2化学反应法目前在我国的设施栽培中运用较多；3施用颗粒有机生物气肥法.2.2温室环境的特点因为温室中有多种环境因素,温室环境是多因子的、相互影响性的、非线性的、有延时性的和亲合性的复杂系统.如下所示：（1） 相互影响性：温室中有多种环境因子,它们之间是有影响的,例如升高温室中的温度,其湿度必定相应降低,对温室进行通风降温还会影响其二氧化碳的浓度.所以,温室内的环境都是相互影响的；（2） 非线性：温室内的各个环境因素没有一个是稳定不变的,温室或多或少还是会受到外界影响.而且温室中农作物自身不停的进行化学变化,也会影响环境因素,因此该环境因素都是非线性的；（3） 延时性：当我们调控温室环境时,各个环境不是瞬时就能改变的,这需要一个过程,而且传感器采集到数据后,传送到相应的控制器,控制器处理数据判断数据,做出控制调整还需要一个过程.通常改变温室内的某个环境因素是慢慢扩散的一种现象,例如对温室内加温,温度变化就是扩散的过程；对温室内补充二氧化碳,二氧化碳浓度的变化也是扩散过程,这就是温室环境的延时性；（4） 亲合性：温室系统包含了多种的环境因素,各因素之间不是相互独立互不干扰的,各个因素的控制过程是彼此耦合在一起的,当我们对其中一个变量进行调控,会影响其他变量发生相应的改变.综上四个特点可知,温室系统是复杂的,具有多种环境影响因子的,对温室系统提出的控制要求并不是一成不变的,要根据不同作物相应调整,因此想要建立精准控制模型几乎无法实现.通常温室控制中我们往往采取区间化控制,例如某作物只要求环境温度控制在一定的区间内就能良好的生长,我们在设计温室控制系统时只要保证温室内部温度调控在某一区间即可,完全没必要对温度或其他环境因素进行精准控制.2.3温室的控制对象影响农作物生长发育的因素主要有两个,其一是由农作物自身的遗传特性决定的,即所谓的品种.如果想通过改变农作物的遗传特性达到促进农作物生长发育的目的需要大量的人力财力投入,而且会形成转基因食品；其二是农作物所在的生长环境,智能温室内部就是一个小生态,在目前的科学技术帮助下,完全通过调控智能温室内的环境因子的方式有效的提高农业产量.2.3.1温度温度是否适宜,是农作物生长过程中非常重要的因素之一,温度可以影响农作物体内在的化学变化.每种农作物对温度都有其独特的要求,拥有最适宜温度以与最高最低温度.当农作物在极限温度下,虽然还能维持生存,但已经极大的影响其生长发育；只有生长在最适温度下,农作物才能迅速健康生长,达到最佳状态.因此,对温室内的环境温度进行范围内的调控可以提高农作物的产量,较为常见的温控设备包括加热设备和通风风机,同时在温室中通过安装温度传感器获取温室内温度,将采集的数值与农作物最适宜温度对比,执行相应升降温操作,启动相应控制设备.2.3.2湿度农作物对空气湿度也有不同的要求,如果更加细致的分析,同一种农作物在它整个生命周期中的不同阶段以与一天中的不同时段对空气湿度也有不同的需求.针对温室中所种植不同类别的作物的不同特性,温室控制系统应当控制温室保持相应的湿度环境,保证当前农作物快速健康生长.同时湿度调控与温度调控还存在一定的耦合关系,对其中一个因子调控常会带来另外一个因子的变动,而且影响较大.因此,在温室环境控制中要综合的考虑这两个因素之间的耦合性.2.3.3光照强度阳光是农作物生长必不可少的,没有阳光,农作物或植物就无法进行光合作用,进而农作物无法生长发育.阳光是作物光合作用非常重要的条件,同时它又是控制农作物光周期的因素.充足的光照可以促进光合作用,使农作物合成更多的有机物,从而提高农作物的产量与质量.如果光照不足或光照强度过强,都会极大的影响农作物正常的光合作用,还会减退叶片的同化作用,造成植株脆弱,引发病虫害,导致落花落果,产量低,质量差等问题.在温室中,内部的光照强度与外部的光照强度有着明显的相关性,但是与室外相比室内的光照强度明显较低.当温室内光照强度不能满足农作物生长需求时,需要补光灯进行补光.2.3.4二氧化碳二氧化碳也是农作物进行光合作用必不可少的,光合作用就是植物合成有机物的过程,而二氧化碳就是为这个过程提供了碳源,但是二氧化碳浓度过高和不足都影响作物的生长,在一定程度上会降低产量.一定量的提高二氧化碳浓度可以让农作物的物候期提前,提高农作物体内有机物含量.大部分农作物的产量随二氧化碳浓度升高而升高,并且还可以影响某些农作物的蛋白质、氨基酸和淀粉的含量.同时二氧化碳的充足还能保证作物幼苗期的质量,促进其快速生长,抑制或减轻疾病的发生.2.3.5土壤含水量土壤中总有一定间隙的,而占据了间隙的是水与空气.当水分含量太少时,植物根系吸收的水分不充足,而植物的蒸腾作用又使植物失去大量水分,从而导致植物失水萎蔫.同时土壤缺乏水分时,造成土壤板结、裂缝的产生会将植物根系拉断,严重时直接导致植物死亡.当含水量过多时,土壤缝隙中空气所占的比例就很小,导致植物根系有氧呼吸大大减弱,植物根系被迫转向无氧呼吸.无氧呼吸会生成酒精伤害作物根部,导致根部溃烂.严重时同样致使植物枯萎死亡.3 PLC概述3.1 PLC简介3.1.1 PLC的产生和定义在PLC诞生之前,继电器控制系统已广泛应用于工业生产的各个领域,起着不可替代的作用.随着生产规模的逐步扩大,继电器控制系统已越来越难以适应现代化工业生产的要求.继电器控制系统通常是针对某一固定的动作顺序或生产工艺而设计,他的控制功能也局限于逻辑控制、定时、计数等一些简单的控制,一旦动作顺序或生产工艺发生变化,就必须重新进行设计、布线、装配和调试,造成时间和资金的严重浪费.继电器控制系统体积大、耗电多、可靠性差、寿命短、运行速度慢、适应性差.为了改变这一现状,1968年美国最大的汽车制造商通用汽车公司GM,为了适应汽车型号不断更新的需求,并能在竞争激烈的汽车工业中占有优势,提出要研制一种新型的工业控制装置来取代继电器控制装置,为此,拟定了10项公开招标的技术要求,即：1、编程简单,可在现场修改程序；2、维护方便,最好是插件式；3、可靠性高于继电器控制柜；4、体积小于继电器控制柜；5、可将数据直接送入管理计算机；6、在成本上可与继电器控制柜竞争；7、输入可以是交流115V；8、输出可以是交流115V、2A以上,可直接驱动电磁阀等；9、在扩展时,原有系统只要很小变更；10、用户程序存储器容量至少能扩展到4KB；根据招标的技术要求,第二年,美国数字设备公司DEC研制出了世界上第一台PLC,并在通用汽车公司自动装配线上试用成功.这种新型的工控装置,以其体积小、可变性好、可靠性高、使用寿命长、简单易懂、操作维护方便等一系列优点,很快就在美国的许多行业里得到推广应用,也受到了世界上许多国家的高度重视.1971年,日本从美国引进了这项新技术,很快研制出了他们的第1台PLC.1973年,西欧国家也研制出他们的第1台PLC.我国从1974年开始研制,到1977年开始应用于工控领域.在这一时期,PLC虽然采用了计算机的设计思想,但实际上PLC只能完成顺序控制,仅有逻辑运算等简单功能,所以人们将它称为可编程逻辑控制器Programmable Logic Controller简称为PLC.20世纪70年代末至80年代初期,微处理器日趋成熟,使PLC的处理速度大大提高,增加了许多功能.在软件方面,除了保持原有的逻缉运算、计时、计数等功能以外,还增加了算术运算、数据处理、网络通信、自诊断等功能.在硬件方面,除了保持原有的开关模块以外,还增加了模拟量模块、远程I/O模块、各种特殊功能模块,并扩大了存储器的容量,而且还提供一定数量的数据寄存器.为此,美国电气制造协会将可编程序逻辑控制器,正式命名为编程序控制器Programmable Controller,简称PC.但由于PC容易和个人计算机PCPersonal puter混淆,故人们仍习惯地用PLC作为可编程序控制器的简称.1985年,国际电工委员会对PLC作出如下定义：可编程序控制器是一种数字运算操作电子系统,专为在工业环境下应用而设计.它采用了可编程序的存储器,用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令,并通过数字的,模拟的输入和输出,控制各种类型的机械或生产过程.可编程序控制器与其有关的外围设备,都应按易于与工业控制系统形成一个整体、易于扩充其功能的原则设计.由该定义可知：PLC是一种由事先存贮的程序来确定控制功能的工控类计算机.PLC它是按照成熟而有效的继电器控制概念和设计思想,利用不断发展的新技术、新电子器件,逐步形成了具有特色的各种系列产品,是一种数字运算操作的专用电子计算机.它是将逻辑运算,顺序控制,时序和计数以与算术运算等控制程序,用一串指令的形式存放到存储器中,然后根据存储的控制内容,经过模拟,数字等输入输出部件,对生产设备和生产过程进行控制的装置.3.1.2 PLC的发展现状目前,随着大规模和超大规模集成电路等微电子技术的发展,PLC已由最初一位机发展到现在的以16位和32位微处理器构成的微机化PC,而且实现了多处理器的多通道处理.如今,PLC技术已非常成熟,不仅控制功能增强,功耗和体积减小,成本下降,可靠性提高,编程和故障检测更为灵活方便,而且随着远程I/O和通信网络、数据处理以与图象显示的发展,使PLC向用于连续生产过程控制的方向发展,成为实现工业生产自动化的一大支柱.现在,世界上有200多家PLC生产厂家,400多品种的PLC产品,按地域可分成美国、欧洲、和日本等三个流派产品,各流派PLC产品都各具特色.其中,美国是PLC生产大国,有100多家PLC厂商,著名的有A-B公司、通用电气GE公司、莫迪康MODICON公司.欧洲PLC产品主要制造商有德国的西门子SIEMENS公司、AEG公司、法国的TE公司.日本有许多PLC制造商,如三菱、欧姆龙、松下、富士等,韩国的三星SAMSUNG、LG等,这些生产厂家的产品占有80%以上的PLC市场份额.经过多年的发展,国内PLC生产厂家约有三十家,国内PLC应用市场仍然以国外产品为主.国内公司在开展PLC业务时有较大的竞争优势,如：需求优势、产品定制优势、成本优势、服务优势、响应速度优势.3.1.3 PLC的发展趋势随着PLC应用领域日益扩大,PLC技术与其产品结构都在不断改进,功能日益强大,性价比越来越高.1在产品规模方面,向两极发展.一方面,大力发展速度更快、性价比更高的小型和超小型PLC.以适应单机与小型自动控制的需要.另一方面,向高速度、大容量、技术完善的大型PLC方向发展.随着复杂系统控制的要求越来越高和微处理器与计算机技术的不断发展,人们对PLC的信息处理速度要求也越来越高,要求用户存储器容量也越来越大.2向通信网络化发展PLC网络控制是当前控制系统和PLC技术发展的潮流.PLC与PLC之间的联网通信、PLC与上位计算机的联网通信已得到广泛应用.目前,PLC制造商都在发展自己专用的通信模块和通信软件以加强PLC的联网能力.各PLC制造商之间也在协商指定通用的通信标准,以构成更大的网络系统.PLC已成为集散控制系统DCS不可缺少的组成部分.3向模块化、智能化发展为满足工业自动化各种控制系统的需要,近年来,PLC厂家先后开发了不少新器件和模块,如智能I/O模块、温度控制模块和专门用于检测PLC外部故障的专用智能模块等,这些模块的开发和应用不仅增强了功能,扩展了PLC的应用范围,还提高了系统的可靠性.4编程语言和编程工具的多样化和标准化多种编程语言的并存、互补与发展是PLC软件进步的一种趋势. PLC厂家在使硬件与编程工具换代频繁、丰富多样、功能提高的同时,日益向MAP靠拢,使PLC的基本部件,包括输入输出模块、通信协议、编程语言和编程工具等方面的技术规范化和标准化.3.1.4 PLC的分类 1按I/O点数分类PLC所能接受的输入信号个数和输出信号个数分别称为PLC的输入点数和输出点数.其输入、输出点数的数目之和称为PLC的输入/输出点数,简称I/O点数.I/O点数是选择PLC的重要依据之一.一般而言,PLC控制系统处理的I/O点数较多时,则控制关系比较复杂,用户要求的程序存储器容量也较大,要求PLC指令与其他功能比较多.按PLC输入、输出点数的多少可将PLC分为以下三类.1小型机小型PLC输入、输出总点数一般在256点以下,用户程序存储器容量在4K字左右.小型PLC的功能一般以开关量控制为主,适合单机控制和小型控制系统.2中型机中型PLC的输入、输出总点数在2562048点之间,用户程序存储器容量达到8K字左右.中型机适用于组成多机系统和大型控制系统. 大型机大型PLC的输入、输出总点数载2084点以上,用户程序存储器容量达到16K字以上.大型机适用于组成分布式控制系统和整个工厂的集散控制网络.上述划分没有一个十分严格的界限,随着PLC技术的飞速发展,一些小型PLC也具备中型或大型PLC的功能,这也是PLC的发展趋势.2按结构形式分类按照PLC的结构特点可分为整体式、模块式两大类.1整体式结构把PLC的CPU、存储器、输入/输出单元、电源等集成在一个基本单元中,其结构紧凑,体积小,成本低,安装方便.基本单元上设有扩展端口,通过电缆与扩展单元相连,可配接特殊功能模块.微型和小型PLC一般为整体式结构,S7-200系列属整体式结构.2模块式结构模块式结构的PLC由一些模块单元构成,这些标准模块包括CPU模块、输入模块、输出模块、电源模块和各种特殊功能模块等,使用时将这些模块插在标准机架内即可.各模块功能是独立的,外形尺寸是统一的.模块式PLC的硬件组态方便灵活,装配和维修方便,易于扩展.目前,中、大型PLC多采用模块式结构形式,如西门子的S7-300和S7-400系列.3.1.5 PLC的特点 1可靠性高,抗干扰能力强 工业生产一般对控制设备的可靠性要求很高,并且要有很强的抗干扰能力.PLC能在恶劣的环境中可靠的工作,平均无故障时间达到数万小时以上,已被公认为最可靠的工业控制设备之一.PLC本身具有较强的自诊断功能,保证硬件核心设备CPU、存储器、I/O总线等在正常情况下执行用户程序,一旦出现故障则立即给出出错信号,停止用户程序的执行,切断所有输出信号,等待修复.PLC的主要模块均采用大规模和超大规模集成电路,I/O系统设计有完善的通道保护与信号调理电路.在结构上对耐热、防潮、防尘、抗震等都有精确的考虑,在硬件上采用隔离,屏蔽、滤波、接地等抗干扰措施,在软件上采用数字滤波等措施.与继电器系统和通用计算机相比,PLC更能适应工业现场环境要求.2硬件配套齐全,使用方便,适应性强PLC是通过执行程序实现控制的.当控制要求发生改变时,只要修改程序即可,最大限度地缩短了工艺更新所需要的时间.PLC的产品已标准化、系列化、模块化,而且PLC与配套产品的模块品种多,用户可以灵活方便地进行系统配置组合成各种不同规模、不同功能的控制系统.在PLC控制系统中,只需在PLC的端子上接入相应的输入/输出信号线即可,不需要进行大量且复杂的硬接线,并且PLC有较强的带负载能力,可以直接驱动一般的电磁阀和交流接触器.3编程直观、易学易会PLC提供了多种编程语言,其中梯形图使用最普遍.PLC是面向用户的设备,PLC的设计者充分考虑到现场工程技术人员的技能和习惯,因此PLC程序的编制采用梯形图的简单指令形式.梯形图与继电原理图相似,这种编程语言形象直观,易学易懂,不需要专门的计算机知识和语言,现场工程技术人员可在短时间内学会使用.用户在购买PLC后,只需按说明书的提示,做少量的接线和进行简易的用户程序编制工作,就可灵活方便地将PLC应用于生产实践.4系统的设计、安装、调试工作量小,维护方便PLC用软件取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件,使控制柜的设计、安装、接线工作量大为减少.同时PLC的用户程序大部分可以在实验室进行模拟调试,模拟调试好后再将PLC控制系统安装到生产现场,进行联机调试,既安全,又快捷方便.PLC的故障率很低,并且有完善的自诊断和显示功能.当发生故障时,可以根据PLC的状态指示灯显示或编程器提供的信息迅速查找到故障原因,排除故障.5体积小,能耗低由于PLC采用了半导体集成电路,其体积小,重量轻,结构紧凑、功耗低、便于安装,是机电一体化的理想控制器.对于复杂的控制系统,采用PLC后,一般可将开关柜的体积缩小到原来的1/101/2.3.1.6 PLC的应用目前,PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保与文化娱乐等各个行业,随着其性能价格比的不断提高,应用的范围还在不断扩大,PLC的应用大致可归纳为以下几类.1开关量的逻辑控制这是PLC最基本、最广泛的应用领域.PLC的逻辑控制取代传统的继电系统控制电路,实现逻辑控制、顺序控制,既可用于单机控制,也可用于多机群控与自动化生产线的控制等.如机床电气控制、装配生产线、电梯控制、冶金系统的高炉上料系统以与各种生产线的控制.2运动控制PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制.目前,大多数的PLC制造商都提供拖动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块,这一功能可广泛用于各种机械,如金属切削机床、金属成型机床、机器人、电梯等.3过程控制过程控制是指对温度、压力、流量、速度等连续变化的模拟量的闭环控制.PLC采用相应的A/D和D/A转换模块与各种各样的控制算法程序来处理模拟量,完成闭环控制.PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的一种调节方法.过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用.现代的大、中型PLC一般都有闭环PID控制模块,这一功能可以用PID子程序来实现,而更多的是使用专用PID模块来实现.4数据处理PLC具有数学运算含矩阵运算、函数运算、逻辑运算、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能,可以完成数据的采集、分析与处理.这些数据可以通过通信接口传送到指定的智能装置进行处理,或将它们打印备用.数据处理一般用于大型控制系统,如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统.5通信与联网PLC通信包括PLC相互之间、PLC与上位机、PLC与其它智能设备间的通信.PLC与其它智能控制设备一起,可以构成集中管理、分散控制的分布式控制系统,满足工厂自动化系统发展的需要.3.2 PLC的组成和工作原理3.2.1 PLC的组成PLC的硬件主要由中央处理器CPU、存储器、输入单元、输出单元、通信接口、扩展接口和电源等部分组成.其中,CPU是PLC的核心,输入单元与输出单元是连接现场输入/输出设备与CPU之间的接口电路,通信接口用于与编程器、上位计算机等外设连接.对于整体式PLC,所有部件都装在同一机壳内,对于模块式PLC,各部件独立封装成模块,各模块通过总线连接,安装在机架或导轨上.无论是哪种结构类型的PLC,都可根据用户需要进行配置与组合. 尽管整体式与模块式PLC的结构不太一样,但各部分的功能作用是相同的,下面对PLC主要组成各部分进行简单介绍. 1、中央处理单元CPU 同一般的微机一样,CPU是PLC的核心.PLC中所配置的CPU 随机型不同而不同,常用有三类：通用微处理器如Z80、8086、80286等、单片微处理器如8031、8096等和位片式微处理器 .小型PLC大多采用8位通用微处理器和单片微处理器；中型PLC大多采用16位通用微处理器或单片微处理器；大型PLC大多采用高速位片式微处理器. 目前,小型PLC为单CPU系统,而中、大型PLC则大多为双CPU系统,甚至有些PLC中多达8 个CPU.对于双CPU系统,一般一个为字处理器,一般采用8位或16位处理器；另一个为位处理器,采用由各厂家设计制造的专用芯片.字处理器为主处理器,用于执行编程器接口功能,监视内部定时器,监视扫描时间,处理字节指令以与对系统总线和位处理器进行控制等.位处理器为从处理器,主要用于处理位操作指令和实现PLC编程语言向机器语言的转换.位处理器的采用,提高了PLC的速度,使PLC更好地满足实时控制要求. 在PLC中CPU按系统程序赋予的功能,指挥PLC有条不紊地进行工作,归纳起来主要有以下几个方面： 1） 接收从编程器输入的用户程序和数据. 2诊断电源、PLC内部电路的工作故障和编程中的语法错误等. 3通过输入接口接收现场的状态或数据,并存入输入映象寄存器或数据寄存器中. 4从存储器逐条读取用户程序,经过解释后执行. 5根据执行的结果,更新有关标志位的状态和输出映象寄存器的内容,通过输出单元实现输出控制.有些PLC还具有制表打印或数据通信等功能. 2、存储器 存储器主要有两种：一种是可读/写操作的随机存储器RAM,另一种是只读存储器ROM、PROM 、EPROM 和EEPROM.在PLC中,存储器主要用于存放系统程序、用户程序与工作数据. 系统程序是由PLC 的制造厂家编写的,和PLC的硬件组成有关,完成系统诊断、命令解释、功能子程序调用管理、逻辑运算、通信与各种参数设定等功能,提供PLC运行的平台.系统程序关系到PLC的性能,而且在PLC使用过程中不会变动,所以是由制造厂家直接固化在只读存储器ROM、PROM或EPROM中,用户不能访问和修改. 用户程序是随PLC的控制对象而定的,由用户根据对象生产工艺的控制要求而编制的应用程序.为了便于读出、检查和修改,用户程序一般存于CMOS静态RAM中,用锂电池作为后备电源,以保证掉电时不会丢失信息.为了防止干扰对RAM中程序的破坏,当用户程序经过运行正常,不需要改变,可将其固化在只读存储器EPROM中.现在有许多PLC直接采用EEPROM作为用户存储器. 工作数据是PLC运行过程中经常变化、经常存取的一些数据.存放在RAM中,以适应随机存取的要求.在PLC的工作数据存储器中,设有存放输入输出继电器、辅助继电器、定时器、计数器等逻辑器件的存储区,这些器件的状态都是由用户程序的初始设置和运行情况而确定的.根据需要,部分数据在掉电时用后备电池维持其现有的状态,这部分在掉电时可保存数据的存储区域称为保持数据区. 由于系统程序与工作数据与用户无直接联系,所以在PLC 产品样本或使用手册中所列存储器的形式与容量是指用户程序存储器.当PLC提供的用户存储器容量不够用,许多PLC还提供有存储器扩展功能. 3、输入/输出单元 输入/输出单元通常也称I/O单元或I/O模块,是PLC与工业生产现场之间的连接部件. PLC通过输入接口可以检测被控对象的各种数据,以这些数据作为PLC对被控制对象进行控制的依据；同时PLC又通过输出接口将处理结果送给被控制对象,以实现控制目的. 由于外部输入设备和输出设备所需的信号电平是多种多样的,而PLC内部CPU的处理的信息只能是标准电平